【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 應(yīng) 8 個(gè)電壓空間矢量。 ，其中 6 個(gè)非零電壓矢量 ，和兩個(gè)零0su7—1su6—電壓矢量 。8 個(gè)電壓矢量在復(fù)平面的空間分布如圖 所示。利用電0su壓逆變器的開關(guān)特點(diǎn)，正確地選擇電壓空間矢量不斷切換電壓狀態(tài)，使定子磁鏈逼近圓形，并通過零電壓矢量的穿插調(diào)節(jié)來改變轉(zhuǎn)差頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩同時(shí)按要求快速變化。 2dcu2dcuNABC aUbcASBCSCSBAS圖 電壓型逆變器理想模型徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)12S 1S 2S 3S 4S 5S6( 1 0 0 )( 1 1 0 )( 0 1 0 )( 0 1 1 )( 0 0 1 )( 1 0 1 )??su2su3s4su5s6s 0 0 01 1 1 2()t?2rt??1A1圖 電壓空間矢量表示法徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)133 DSP 芯片概述 DSP 芯片的定義及分類？數(shù)字信號(hào)處理是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興科學(xué)。20 世紀(jì) 60 年代至今，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到了迅速的發(fā)展。數(shù)字信號(hào)處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮識(shí)別等處理以得到符合人們需要的數(shù)字形式。圖 所示的是一個(gè)典型的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)框圖?？够殳B濾波器A \ D轉(zhuǎn)換器數(shù)字信號(hào)處理器D \ A 轉(zhuǎn)換器平滑濾波器X （ t ） X （ n ） Y （ n ）圖 數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)框圖圖 中，輸入信號(hào)可以是語音信號(hào)、傳真信號(hào)，也可以是視頻信號(hào)，還可以是傳感器（如溫度傳感器）的輸出信號(hào)。輸入信號(hào)經(jīng)過帶限濾波后，通過A\D 轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。根據(jù)采樣定理，采樣頻率至少是輸入帶限信號(hào)最高頻率的 2 倍，在實(shí)際應(yīng)用中一般為 4 倍以上。數(shù)字信號(hào)處理一般是用 DSP 芯片和在其上運(yùn)行的實(shí)時(shí)處理軟件對(duì)輸入數(shù)字信號(hào)按照一定的算法進(jìn)行處理，然后將處理后的信號(hào)輸出給 D\A 轉(zhuǎn)換器，經(jīng) D\A 轉(zhuǎn)換、內(nèi)插和平滑濾波后得到連續(xù)的模擬信號(hào)。DSP 是指用于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的可編程微處理器，人們常用 DSP 一詞來指通用數(shù)字信號(hào)處理器。DSP 芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)※ 改進(jìn)的哈弗結(jié)構(gòu)※ 多總線結(jié)構(gòu)※ 流水線技術(shù)※ 多處理單元 ※ 特殊的 DSP 指令※ 指令周期短徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)14※ 運(yùn)算精度高※ 豐富的外設(shè)※ 功耗低DSP 特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、強(qiáng)大的信息處理能力、及較高的運(yùn)行速度，是 DSP最重要的特點(diǎn)。DSP 是高性能系統(tǒng)的核心，它接收模擬信號(hào)（如光和聲） ，將它們轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，實(shí)時(shí)地對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字技術(shù)處理。這種實(shí)時(shí)能力使DSP 在聲音處理、圖像處理等不允許時(shí)間延遲的領(lǐng)域的應(yīng)用十分理想，成為全球 70%數(shù)字電話的“心臟” ，同時(shí) DSP 在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。DSP 芯片的分類D S P 芯 片 的 分 類按 數(shù) 據(jù) 格 式 分 按 用 途 分定 點(diǎn) D S P 浮 點(diǎn) D S P 通 用 型 D S P 專 用 型 D S PT M S 3 2 0C 2 X X\ C 5 4 X X\ C 6 2 X XT M S 3 2 0C 3 X X\ C 4 X XC 8 X XT I 公 司 的 一些 列 芯 片M o t o r o l a 的D S P 芯 片5 6 2 0 0Z o r a n 的Z R 3 4 8 8 1I n m o s 的I M S A 1 0 0圖 DSP 芯片的分類徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)15 DSP 芯片的發(fā)展歷程在 DSP 芯片出現(xiàn)之前，數(shù)字信號(hào)處理只能依靠通用微處理器（MPU）完成，但 MPU 較低的處理速度卻無法滿足系統(tǒng)高速實(shí)時(shí)的要求。直到 20 世紀(jì) 70 年代，才有人提出了 DSP 理論和算法基礎(chǔ)。那時(shí)的 DSP 僅僅停留在教科書上，即便是研制出來的 DSP 系統(tǒng)也是用分立元件組成的，其應(yīng)用領(lǐng)域僅限于軍事、航空航天部門。世界上第一片單片 DSP 芯片是 1978 年 AMI 公司宣布的 S2811，在這之后，最成功的 DSP 芯片當(dāng)數(shù) TI 公司 1982 年推出的 DSP 芯片。這種 DSP 器件采用微米工藝、NMOS 技術(shù)制作，雖功耗和尺寸稍大，但運(yùn)算速度卻比 MPU 快幾十倍，尤其在語音合成，編解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。DSP 芯片的問世，使 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)由大型系統(tǒng)向小型化邁進(jìn)了一大步至 20 世紀(jì) 80 年代中期，隨著 CMOS 技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，第二代基于 CMOS 工藝的 DSP 應(yīng)運(yùn)而生，其運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量都得到了成倍的提高，成為語音處理和圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)。20 世紀(jì) 80 年達(dá)后期，第三代 DSP 芯片問世，運(yùn)算速度進(jìn)一步提高，應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大到通信和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。20 世紀(jì) 90 年代 DSP 發(fā)展最快，相繼出現(xiàn)了第四代和第五代DSP。第五代產(chǎn)品與第四代產(chǎn)品相比，系統(tǒng)集成度更高，將 DSP 芯核及外圍元件綜合集成在單一芯片上，這種集成度極高的 DSP 芯片不僅在通信、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域大顯身手，而且逐漸滲透生活的各個(gè)方面，并逐漸成為電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的決定性因素。目前對(duì) DSP 爆炸性需求的時(shí)代已經(jīng)來臨，前景十分廣闊?，F(xiàn)在世界上的 DSP 芯片有 300 多種，生產(chǎn) DSP 的公司有 80 多家，主要廠家有 TI 公司、AD 公司、Lucent 公司、Motorola 公司和 LSI Logic 公司。TI 公司作為 DSP 生產(chǎn)商的代表，生產(chǎn)的品種很多，大約占市場(chǎng)份額的 60%。 DSP 芯片的應(yīng)用DSP 芯片的應(yīng)用幾乎已遍及電子與信息的每一個(gè)領(lǐng)域，常見的典型應(yīng)用如下：※ 通用數(shù)字信號(hào)處理：數(shù)字濾波、卷積、相關(guān)、FFT 、希爾伯特變換、自適應(yīng)濾波、窗函數(shù)和譜分析等。徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)16※ 語音識(shí)別與處理：語音識(shí)別、合成、矢量編碼、語音鑒別和語音信箱等?！? 圖紙/圖像處理：二維/三維圖形變換處理、模式識(shí)別、圖像鑒別、圖像增強(qiáng)、動(dòng)畫、電子地圖和機(jī)器人視覺等?！? 儀器儀表：暫態(tài)分析、函數(shù)發(fā)生、波形產(chǎn)生、數(shù)據(jù)采集、石油/ 地質(zhì)勘探，地震預(yù)測(cè)與處理等?！? 自動(dòng)控制：磁盤/光盤伺服控制、機(jī)器人控制、發(fā)動(dòng)機(jī)控制和引擎控制等?！? 醫(yī)學(xué)工程：助聽器、X 射線掃描、心電圖/腦電圖、病員監(jiān)護(hù)和超聲設(shè)備等。※ 家用電器：數(shù)字電視、高清晰度電視（HDTV） 、高保真音箱、電子玩具、數(shù)字電話等。※ 通信：糾錯(cuò)/譯碼、自適應(yīng)均衡、回波抵消、同步、分散接收、數(shù)字調(diào)制/ 解調(diào)軟件無線電和擴(kuò)頻通信等。※ 計(jì)算機(jī)：陣列處理器、圖形加速器、工作站和多媒體計(jì)算機(jī)等?！? 軍事：雷達(dá)與聲納信號(hào)處理、導(dǎo)航、導(dǎo)彈制造、保密通信、全球定位、電子對(duì)抗、情報(bào)收集與處理等。徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)174 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)各部分的結(jié)構(gòu)和計(jì)算方法己經(jīng)確定，這些方法將在以 TI 公司的 DSP(TMS320F2407A)為主體構(gòu)成的系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)。所有控制算法的實(shí)現(xiàn)和實(shí)用化均不能離開硬件系統(tǒng)，本節(jié)主要介紹系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。基于 DSP 的無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 所示。T M S 3 2 0 F 2 4 0 7 AP C 機(jī)故障檢測(cè)與保護(hù)驅(qū) 動(dòng)電 路P W M輸 出電 流測(cè) 量電 壓測(cè) 量M圖 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 主電路的設(shè)計(jì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的主電路采用交一直一交電壓型變頻器結(jié)構(gòu)，由整流電路、限流電路、濾波電路、能耗制動(dòng)電路和逆變電路這幾個(gè)部分組成的。徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)18圖 主電路整流及濾波電路整流電路的任務(wù)是把三相交流電變換成直流電。本系統(tǒng)屬于中、小容量變頻器，整流器可采用不可控整流二極管成的橋式全波整流，再經(jīng)大容量電解電容 C，構(gòu)成的濾波環(huán)節(jié)進(jìn)行濾波，為逆變器提供恒定的直流電壓。中間電容 C的作用主要有兩點(diǎn)：（1）消除二極管整流器的輸出電壓的波紋，盡量保持直流電壓的輸出的恒定波形；（2）電機(jī)屬于感性負(fù)載，故中間直流環(huán)節(jié)總和電機(jī)之間存在能量轉(zhuǎn)換，而逆變器的電力電子器件無法儲(chǔ)能，因此電容的另一個(gè)作用就是作為儲(chǔ)能元件實(shí)現(xiàn)能量的緩沖。限流電路及安全保護(hù)電路當(dāng)變頻器通電時(shí)瞬時(shí)沖擊電流較大，為了保護(hù)電路元件并減小通電瞬間電路對(duì)電網(wǎng)的沖擊，在電路中加入了限流電阻，通過限流電阻（即圖中的充電電阻）減小通電瞬間電流對(duì)元件的沖擊，并通過延時(shí)控制，在通電一段時(shí)間后觸發(fā)繼電器，切除限流電阻，這樣既不影響電路正常工作時(shí)的電路整體性能，又可提高電路的啟動(dòng)瞬時(shí)性能。當(dāng)電路不工作時(shí)由于電容 C 上有大量的電荷所以電容上的電壓很高，對(duì)人的安全造成一定的威脅，所以在電路不工作的時(shí)候?qū)⒎烹婋娮杞尤腚娐分信浜侠^電器對(duì)電容 C 進(jìn)行放電。能耗制動(dòng)電路徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)19當(dāng)能耗制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)再生的電能經(jīng)續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路，在濾波電容上會(huì)有短時(shí)間大量電荷堆積，這就是所謂的“泵生電壓” ，使得直流電壓升高。過高的直流電壓將會(huì)使各部分器件受到損害。因此，當(dāng)直流電壓達(dá)到的一定值，就要求提供一條放電回路即能耗制動(dòng)電路，將再生的電能消耗掉。逆變電路。逆變電路的功能是在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下把直流電變換到幅值恒定、頻率可調(diào)的三相交流電，由功率器件和驅(qū)動(dòng)電路組成。功率器件用于逆變器的常見功率器件有如下幾種：（1）大功率晶體管（BJT 或 GTR）電流控制型器件，優(yōu)點(diǎn)是擊穿電壓和集電極最大飽和電流都較大，缺點(diǎn)是開關(guān)頻率較低，最高為 2KHz 左右。因而以 BJT 為逆變器件的載波頻率也較低，電動(dòng)機(jī)有較大的電磁噪聲。另外控制電路的驅(qū)動(dòng)功率也較大。（2）功率效應(yīng)管漏極電流的大小受控制級(jí)與源級(jí)間的電壓控制，屬電壓控制性器件，開關(guān)頻率較高，最高答 20KHz 以上。因此，以 MOSFET 為逆變器件的變頻器載波頻率也較高，電動(dòng)機(jī)基本無電磁噪聲。此外，控制電路所需的驅(qū)動(dòng)功率極小。但迄今為止，其擊穿電壓和漏極最大飽和電流都較小，難以滿足多數(shù)變頻器的要求。（3）絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）IGBT 是 MOSFET 和 BJT 結(jié)合的產(chǎn)物，主體部分與晶體管相同，但驅(qū)動(dòng)部分卻和場(chǎng)效應(yīng)管相同。電壓控制型功率器件。主要優(yōu)點(diǎn)是擊穿電壓和集電極飽和電流也較大。由 IGBT 模塊作為逆變器的變頻器容量已達(dá) 250KVA 以上。而且開關(guān)頻率也可達(dá) 20KHz，電機(jī)的電流波形比價(jià)平滑，基本無電磁噪聲。目前絕大部分中、小容量變頻器的逆變模塊都在用 IGBT 管。其驅(qū)動(dòng)電路也都已模塊化。（4）智能功率模塊（IPM）智能功率模塊是把與逆變管配套的驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路與保護(hù)電路以及某些接口電路等和功率模塊集成到一起的集成功率模塊。本系統(tǒng)是中、小型系統(tǒng)采用 IGBT 作為逆變?cè)GBT 的等效電路及開關(guān)徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)20特性見圖 。0t12t30t123tGEUGEciCEUCEUci圖 IGBT 等效電路及開關(guān)特性驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路的作用是：（1）實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng) IGBT 柵極的電隔離；（2）提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖。實(shí)現(xiàn)電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。輸入部分為雙路 PWM 及對(duì)應(yīng)控制電源信號(hào)，經(jīng)獨(dú)立或互鎖設(shè)定單元確定電路工作模式，可設(shè)定為普通全橋模式或無死區(qū)控制全橋模式。普通全橋應(yīng)用時(shí)，上下兩管信號(hào)互鎖，用戶可以設(shè)置死區(qū)時(shí)間，確保不直通。無死區(qū)全橋模式應(yīng)用時(shí)，上下兩管可以同時(shí)導(dǎo)通，因此可用于電流型全橋電路的驅(qū)動(dòng)。通過 DC/DC 輔助開關(guān)電源，可得到四路相互獨(dú)立的 24V電壓輸出，于四片驅(qū)動(dòng)芯片的供電。與傳統(tǒng)的四路變壓器隔離供電相比，減小了體積，節(jié)省了成本，且使用更加方便，當(dāng)主控板電源電壓為 15V 供電時(shí)，可與之使用同一電源。驅(qū)動(dòng)單元輸出四路隔離驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng) IGBT，同時(shí)對(duì)IGBT 起保護(hù)作用。當(dāng) IGBT 的電流過大，集電極對(duì)發(fā)射極的電壓達(dá)到閾值電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)內(nèi)部的保護(hù)機(jī)制。因?yàn)楦鞣N尖峰干擾的存在，為避免頻繁的保護(hù)影響開關(guān)電源的正常工作，設(shè)立盲區(qū)是很有必要的；當(dāng)過流信號(hào)時(shí)間大于設(shè)定的盲區(qū)時(shí)間時(shí)，開始軟關(guān)斷。軟關(guān)斷開始后，驅(qū)動(dòng)器封鎖輸入 PWM 信號(hào)，即徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)21使 P